结构生物学-introduction.ppt.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2012/11/9,#,3.,结构生物学导论,Question,为什么了解蛋白质的功能必须首先了解蛋白质的空间结构？,电镜图像代表物体的真实图像吗？,为什么钾通道允许钾离子但不允许钠离子通过？,AIDS,病毒是如何感染宿主的？,肝炎病毒是如何感染宿主的？,蛋白质的结构,一级结构,仅能告诉蛋白质中氨基酸的线性排列次序,不能,告诉蛋白质的功能及行使功能的机制,高级结构（三级和四级结构）,蛋白质,的功能是由空间结构决定的,蛋白质空间结构的变化是蛋白质行使功能的,基础,理解蛋白质,的功能,必须首先了解,蛋白质,的,空间结构,测定生物大分子结构的意义,生物大分子的结构可,预言生物大分子的功能,DNA,双螺旋结构预言并肯定,DNA,是遗传信息的载体,DNA,双螺旋结构预言了遗传物质的复制机制,生物大分子的结构可,解释生物大分子的功能,生物大分子的结构可,阐明生物大分子的工作机制,生物大分子的结构可用于,指导药物设计,有的放矢,测定蛋白质空间结构的三大方法,X-,射线衍射（云彩红）,核磁共振（洪远凯）,电子显微镜,电镜与图像三维重构,Electron Microscopy,Why do we need 3D information?,3D object,projection,2D photo,Drawing by John OBrien,The New Yorker Magazine(1991),三维图像重构,在电镜下观察样品时，所看到的是样品在垂直于电子束方向的投影（二维信息）,要得到样品的三维结构，须将投影信息（二维信息）转变为三维信息,将二维信息组合得到三维信息并得到三维结构的过程称为三维图像重构,基本数学,-,傅立叶变换,Fourier transform,函数,(r),的傅立叶变换定义为,其,逆运算，即逆傅立叶变换（,inverse Fourier transform,）,式中,v,为一个常数,通过傅里叶变换,，,函数,(r),与函数,F(s),可互相转换,!,三维重构基本原理,-,中央截面定理,三维函数投影的傅立叶变换等于该三维函数傅立叶变换在垂直于投影方向的中央截面,在电镜下，物体沿电子束方向投影的傅立叶变换是该物体三维傅立叶变换在垂直于电子束方向的中央截面,The principle of 3D reconstruction,三维物体,二维投影,二维投影的,傅立叶变换,三维傅立叶变换,三维结构,逆傅立叶变换,Klug,A,De Rosier DJ.,Nature,(1966),212:29-32,.,Klug A-Nobel Prize in chemistry 1982!,结构生物学在生物医学中,的应用,K,+,Channel,三维结构,细胞膜上存在,K,+,Channel,维持膜电位的稳定,使膜电位接近钾的平衡电位并远离兴奋阈值,结构由,Rockefeller,大学,R.Mackinnon,用,X-,射线晶体学解析,R.Mackinnon,荣获,2003,年,Nobel,生理医学奖,名人轶事,-,R.Mackinnon,1974,，,入,麻省波士顿大学（,University of Massachusetts Boston,）,；,1975,，,转到,Brandeis,大学,1978,，,获生物化学,学士,学位,，,入,Tufts,大学医学院学习,医学,1982,，,获,MD,学位,，入,波士顿,Beth Israel Hospital,进行内科医生,培训,1986,，对行医失去兴趣，,回到,Brandeis,大学，,做博士后,，用分子生物学、生物化学研究离子通道,1989-1996,，,Harvard,大学助理教授,、副教授、教授,1996,，,转到,Rockefeller,大学,，转向用结构生物学研究离子通道,1998,，发表地球上第一篇关于,K,通道三维结构的论文，随后又发表一系列,K,通道三维结构的论文,2003,，荣获,Nobel,生理医学奖,K,+,Channel,的分子结构,分子生物学及电生理学实验表明,K,+,Channel,是一个单一的多肽，由四个亚基组成,每个亚基含,6,个跨膜螺旋,(S1-S6),S5,与,S6,之间存在一个发夹区,H5,与形成选择性滤器有关,S4,带正电荷，与电压门控有关,S6,参与,Channel,的形成,细菌,K,+,Channel,细菌,Streptomyces lividans,存在,K,+,通道,KcsA,由,4,个亚基构成,每个亚基含,2,个,-,螺旋，相当于,K,+,通道的螺旋,5,和,6,KcsA,可用分子生物学方法大量表达,为用,X-,射线晶体学解析结构奠定了基础,细菌,K,+,Channel,的三维结构,Doyle,et al,Science,280:69,1998,K,+,Channel,的结构特点,带负电的氨基酸集中于通道两端的入口与出口处,每个亚基有,2,个跨膜螺旋构成,-,内螺旋和外螺旋,跨膜螺旋倾斜形成锥状，内螺旋在入口处聚集形成通道的门,连接两个跨膜螺旋的肽段形成一个短的,-,螺旋,-pore helix,一个环从,pore helix,伸向通道出口处，形成选择性滤器,(selectivity filter),由,4,个亚基构成的选择性滤器形成一个短而坚固的狭孔，孔的直径,0.3nm,选择性滤器由,3,个主链羰基构成,K,+,Channel,的结构特点,K,+,Channel,的选择性,-,为什么阴离子不能通过？,带负电的氨基酸（红色）集中于通道两端的入口和出口处,静电场作用,吸引阳离子,(cations),排斥阴离子,(anions),K,+,Channel,的选择性,-,为什么,Na,+,不能通过？,当离子进入选择性孔道时，必须脱水,对,K,+,而言，选择性孔道的大小合适,K,+,与羰基作用，形成配位复合物,释放的自由能补偿了脱水消耗的能量,反应向脱水方向进行,对,Na,+,而言，选择性孔道比,Na,+,大,Na,+,不能有效的与羰基作用,反应不利于向脱水方向进行,Na,+,不能有效脱水，无法通过滤器,离子与,K,+,Channel,的相互作用,K,+,Channel,如何开关？,形成,selectivity filter,的结构非常坚固,在通道开关过程中不发生构像变化,跨膜螺旋在通道开关过程中发生构像变化,其对孔的限制类似于照相机快门,细菌,K,+,Channel,的开关机制,Jiang,et al,Nature,417:523,2002,红色：关闭状态,；黑色：开放状态,通道开关的控制类似于照相机快门的运动,通道并不完全关闭，形成通道的氨基酸侧链阻碍了离子通过,K,+,Channel,开关的模式图,电压如何,控制通道开关？,Jiang et al,Nature,423:42,2003,+,-,-,+,静息态,去极化态,为什么钾通道三维结构,获诺贝尔奖？,离子通道对于生命活动至关重要,钾通道的三维结构阐明了,离子选择性的化学基础,钾通道的三维结构阐明了离子通道的,开关机制,钾通道的三维结构阐明了钾通道的工作机制,HIV,对宿主的感染机制,J Liu,et al.,Nature,000,1-5(2008)doi:10.1038/nature07159,Conformational change in the,gp120 trimer,induced by,CD4,binding,戊型肝炎病毒的结构,PNAS,106:12992,2009,戊型肝炎病毒衣壳蛋白的结构,PNAS,106:12992,2009,戊型肝炎病毒抗体和受体结合位点,抗体结合位点,受体结合位点,The Nobel Prize in Chemistry 2009,Venkatraman Ramakrishnan,1/3 of the prize,MRC Laboratory of Molecular Biology,Cambridge,United Kingdom,Thomas A.Steitz,1/3 of the prize,Yale University,New Haven,CT,USA,Ada E.Yonath,1/3 of the prize Weizmann Institute of Science Rehovot,Israel,for studies of the,structure,and,function,of the ribosome,“for studies of the,structure,and,mechanism,of the ribosome”,